110 kV智能變電站備自投保護用母線電壓的分析

王鵬程

（國網晉中供電公司，山西晉中030600）

0 引言

隨著國家經濟的飛速發展、科學技術的不斷提高以及居民用電需求的不斷增長，用戶對供電質量和供電可靠性的要求越來越高，備自投裝置是電力系統中非常重要的安全自動裝置，對于提高供電可靠性起著十分重要的作用。因此，備自投裝置已成為中低壓系統變電站自動化的最基本功能之一。典型的110 kV電壓等級變電站為2條110 kV進線，分別連接到110 kV 2段母線上，2段母線通過分段斷路器連接，即單母分段接線運行方式。正常運行方式有以下2種[1]：一是1條110 kV進線斷路器運行，分段斷路器合位運行，另1條進線斷路器處于熱備用狀態，運行線路間隔斷路器帶全站負荷；二是2條進線間隔斷路器處于運行狀態，分段斷路器分位熱備用狀態，各自帶站內一段負荷。對應這2種運行方式下的110 kV備自投保護裝置也有2種運行方式，即進線備自投方式和分段備自投方式。不論哪種方式，備自投保護裝置動作的判據都是在失去母線電壓后進行的，所以母線電壓對于備自投保護裝置的正確動作起著至關重要的作用。

依據國家電網公司規范要求，智能變電站繼電保護裝置通常采用“直采直跳”的原則，110 kV備自投保護也遵循這個原則[2]。依據各繼電保護生產廠家備自投保護裝置原理，通常需要采集110 kV母線電壓、進線間隔電流、進線線路電壓的采樣值SV（sampled value）信息及各間隔斷路器位置、合后位置等面向通用對象的變電站事件GOOSE（generic object oriented substation event）信息。涉及各間隔的信息都是從各間隔的合智一體裝置采集的，比如間隔電流、線路電壓及位置信息等；而母線電壓則既可以直接從母線電壓合并單元裝置取，也可以從各間隔合智一體裝置取。本文將分別介紹這2種母線電壓的取法，并從4個方面對2種取法進行比較。

1 備自投保護用母線電壓

1.1 備自投裝置的工作原理及基本要求

備自投裝置的工作原理[3]：采用交流不間斷采樣方式，采集到信號后實時進行傅立葉法計算，能精確判斷電源狀態，并實施延時切換電源。備自投裝置具有在線運行狀態監視功能，可觀察各輸入電氣量、開關量、定值等信息，有比較可靠的軟硬件看門狗功能和事件記錄功能。目前110 kV變電站大多數都配置了110 kV備自投裝置，且多采用進線備投的運行方式來保證在發生電網事故或線路故障時對用戶供電的連續性，將負荷損失降至最低。

對備自投裝置的基本要求[4]有以下幾點：一是裝置的啟動部分應能反映工作母線失去電壓的狀態；二是工作電源斷開后，備用電源才能投入；三是備自投裝置只能動作一次，以免在母線上或引出線上發生持續性故障時，備用電源被多次投入到故障元件上，造成更嚴重的事故；四是備自投裝置應該保證停電時間最短，使電動機容易自啟動；五是當電壓互感器的熔斷器熔斷時備自投裝置不應動作；六是當備用電源無電壓時，備自投裝置不應動作。

1.2 進線合智一體裝置取用

1.2.1 備自投保護裝置體系結構

備自投保護裝置經光纖直接與2個進線的合智一體裝置連接，實現直接采集各進線間隔電流SV、線路電壓SV及母線電壓SV，直接輸出跳合閘進線斷路器GOOSE命令，通過GOOSE網絡實現多間隔傳輸采集各間隔斷路器位置、合后位置等信號，并發出備自投保護裝置的合分段斷路器命令[5-6]。備自投保護裝置從間隔合智一體裝置取電壓結構如圖1所示。

圖1 備自投保護裝置從間隔合智一體裝置取電壓結構

1.2.2 備自投保護裝置虛端子連接關系

進線間隔合智一體裝置從所在母線處的母線合并單元裝置上級聯母線電壓，再將母線電壓轉發給各間隔繼電保護裝置、測控采集裝置、故障錄波器及網絡在線分析裝置，同樣可以將母線電壓、間隔電流、線路電壓轉發給備自投保護裝置。

1.3 母線合并單元取用

1.3.1 備自投保護裝置體系結構

備自投保護裝置經光纖直接與2個進線的合智一體裝置連接，實現直接采樣各進線間隔電流SV、線路電壓SV，直接輸出跳合閘進線斷路器GOOSE命令；單獨與110 kV母線電壓合并單元連接，采集2段母線電壓SV，仍通過GOOSE網絡實現多間隔傳輸采集斷路器位置、合后位置等信號，并發出備自投保護的合分段斷路器命令。備自投保護從母線合并單元取電壓結構如圖2所示。

圖2 備自投保護從母線合并單元取電壓結構

1.3.2 備自投保護裝置虛端子連接關系

備自投保護裝置從各間隔合智一體裝置處取各進線間隔電流SV、線路電壓量SV；而母線電壓則單獨通過光纖鏈路從A套母線電壓合并單元處接收。

2 2種取用方法的比對

從上述2種方案來看，都可以實現備自投保護裝置用母線電壓的接取。從實際投運的變電站看，有采用第一種方案從各進線合智一體裝置取母線電壓，也有采用第二種方案從母線電壓合并單元取母線電壓，這2種方案各有優勢，但也存在各自的弊端，下面從4個方面對此進行分析。

2.1 光纜連接數量

從圖1和圖2可以看出，采用從母線電壓合并單元處取母線電壓時，需要多敷設一根光纜，且備自投保護裝置需單獨開設一個光口用于接收母線電壓。而從各進線間隔合智一體裝置處取母線電壓時，對于備自投保護裝置而言，只接收進線合智一體裝置發出的SV信息，向進線合智一體裝置發出GOOSE跳合閘命令，可共用一個光口實現收發；2個進線間隔則需要2個光口，再配置一個GOOSE組網光口即可實現保護功能。此方案下備自投保護裝置、進線合智一體裝置的光口數量配置最少，母線電壓SV則通過已有的光纖鏈路轉發，節省光纜及光口數量。

2.2 虛端子連線

不同二次繼電保護設備生產廠家的110 kV備自投保護裝置模型并不統一，有具備母線電壓額定延時的模型，有具備進線電源額定延時的模型，有2個額定延時都具備的模型，也有備自投保護裝置沒有額定延時的模型。針對不同的裝置模型，應該設計不同的虛端子連線以滿足正常的運行要求。當進線合智一體裝置與備自投保護裝置分屬不同的設備生產廠家時，必須注意采樣額定延時的問題。從備自投保護裝置虛端子連接情況和圖2來看，備自投保護裝置只有進線間隔的額定延時，沒有母線電壓的額定延時，此時從各進線間隔合智一體裝置取母線電壓更能滿足保護安全運行的要求。若從母線電壓合并單元取用母線電壓，則母線電壓SV經一個合并單元輸出，其固有額定延時在500～750 μs之間，也就是一級延時；而進線間隔電流經合智一體裝置輸出，合智一體裝置又經IEC61850-9-2級聯了母線電壓后，其固有延時在1 000～1 500 μs之間，也就是二級延時。這種情況將造成備自投保護裝置接收到母線電壓SV和進線電流SV存在延時差別，影響保護裝置正常邏輯判斷。所以，應根據備自投保護裝置不同的模型來設計虛端子連線，以確定從母線電壓合并單元取還是從進線合智一體裝置取母線電壓更符合備自投保護裝置的運行要求。

2.3 備自投保護裝置校驗

110 kV智能變電站備自投保護裝置的校驗通常是用模擬量試驗儀給母線電壓合并單元加試驗電壓的方法來實際模擬，因此上述2種備自投取母線電壓的方法對試驗沒有影響，都可以正常進行。當我們用數字式試驗儀單獨校驗備自投保護裝置時，采用母線電壓合并單元取電壓的模式更為便捷，1路光口關聯電壓SV，另外2路光口分別關聯進線GOOSE信息。而當采用從各進線合智一體裝置取電壓時，需要2路光口關聯SV采樣值，另外2路光口分別關聯進線GOOSE量，4路光口對于手持式數字試驗儀很難滿足，增加了現場調試難度[7]。

2.4 設備檢修

遇有智能變電站內任一段母線電壓互感器一次設備檢修時，被檢修母線的二次設備可以通過電壓并列功能實現母線電壓的輸出，此時對于2種母線電壓取用的方式沒有影響，備自投保護裝置可以正常運行。

當站內110 kV母線A套電壓合并單元故障退出運行時，此時不論哪種備自投裝置取母線電壓的方式，都將失去110 kV母線I母電壓，2種取用方式都需要將備自投保護裝置退出運行。

當站內110 kV母線B套電壓合并單元故障退出運行時，此時備自投裝置從母線A套合并單元取母線電壓方式的，將不會受到影響，備自投裝置可以正常運行；而從進線合智一體裝置取母線電壓方式的，由于B套電壓合并單元故障，不能輸出Ⅱ母電壓至進線2合智一體裝置，造成備自投保護裝置Ⅱ母失壓，這時需要將備自投保護裝置退出運行。

3 結束語

隨著我國人民生產生活的現代化程度日益提高，人們對電力的需求和依賴程度也在倍增，對電能質量的要求也更加嚴格，供配電在各個領域也不斷向自動化、無人值守、遠程控制、不間斷供電的目標邁進。有些電力用戶尤其對不間斷供電的要求顯得更加突出。在《電力裝置的繼電保護和自動裝置設計規范》（GB 50062—2016）中第十一章明確規定了備用電源和備用設備自動投入的具體要求。備自投保護裝置母線電壓的取用直接關系裝置的正常運行，目前多數110 kV電壓等級變電站采用110 kV備自投保護用電壓取用110 kV母線A套合并單元，各110 kV電壓等級變電站應在慎重考慮各種因素下的情況，綜合比較判斷后選擇最佳的接取方案，以保障供電質量和供電可靠性。本文對目前110 kV智能變電站中110 kV備自投保護裝置母線電壓的取用方式進行了簡單的分析和探討，旨在對今后智能變電站備自投保護裝置驗收調試工作有所幫助，希望電力行業的學者專家多提意見和建議。